真空断路器在中国运行有近30年的历史,真空断路器的开发有两次大的技术飞跃,一次是20世纪70年代,出现了中国第一代真空断路器.它采用的是阿基米德螺旋槽的触头结构,触头材料为铜铋银及铜铋铝两大类,受其材料性能限制,开断能力只能达到20 kA.另一次是20世纪80年代初期,在杯形触头上刻槽,使其在开断时产生横向磁场,让电弧在触头上旋转,减少触头烧损,提高触头寿命,同时触头材料上研制了铜铋锑、铜铋铝及铜铬材料等,使其断路器在电寿命、机械寿命等方面有了较大的飞跃.在其20世纪80年代中后期,由北京开关厂引进德国西门子3AF,广州南洋电器厂引进日本东芝公司VK10J,比利时EIB公司VB5及其ABB公司VD4等为代表,采用在杯状圆盘触头上刻槽,在开断时产生纵向磁场,使电弧呈扩散性,最大限度地减少烧损.触头材料全都采用铜铬(CuCr)新材料,此种触头材料具有很低的截流值,一般仅为3~5 A.因此在感性电路中能限制其操作过电压产生,开断容性负载重击穿几乎不发生,弧后工频耐压基本不降低,克服了真空开关在20世纪70年代及20世纪80年代初的三大缺陷:①开断故障电弧后工频耐压特别低;②开断容性负载经常发生重击穿现象;③在感性电路中其操作过电压特别高.这样在国内掀起了真空开关热,生产真空断路器的厂家目前已突破350家,真空断路器型号已达50多种,可称位居世界之首.

1 现阶段国产真空断路器种类和区别

1.1 种类

目前中国生产的真空断路器可粗略分为三大类:

第一类为分体型结构,完全是按原少油断路器SN10型模仿设计出来的,主要是为了旧少油断路器开关设备的改造,也有安装在新开关设备上的,如ZN7-10X、ZN13-10X、ZN19-10X、ZN28-10A等;第二类为具有独立型号机构的拼凑型结构,由CD10、CD17、CT8、CT17、CT19等机构与真空灭弧室及转轴、弹簧等拼凑成一台断路器,如ZN7-10、ZN13-10、ZN19-10、ZN28-10等;第三类为整体型结构,其特点是没有独立的机构,传动损耗少的真空断路器,此类断路器主要以引进技术占主体,如ZN12-10真空断路器是以北京开关厂为代表引进的西门子公司3AF真空断路器,ZN18-10真空断路器为广州南洋电器厂引进的东芝公司VK10J真空断路器,厦门ABB开关有限公司的VD4真空断路器、VM1永磁真空断路器以及森源公司设计的VS1型真空断路器等.

1.2 第三类与一、二类真空断路器区别

1)整体型结构的断路器一般为1套四连杆传动系统;而分体型结构与拼凑型结构均为2套四连杆相联传动系统或者1套五连杆与1套四连杆相联的传动系统.

2)整体型结构的断路器的触头压缩行程一般为3~4 mm;而分体型结构与拼凑型结构的断路器的触头压缩行程一般为6~10 mm.

3)整体型结构的断路器是从断路器在控制回路中的整体要求设计的;而分体型结构与拼凑型结构的断路器是仿型(分体仿SN10-10)及凑合(将分体与操动机构凑合起来)出来的设计.

2 真空断路器的优化设计

2.1 处理好断路器可靠性

真空断路器的可靠性对用户最有切身利益.真空断路器从问世那一天,其机械寿命就从传统断路器的2 000次跃升增为10 000次,这几年已有20 000次及30 000次的产品,国外西门子公司已有60 000次及120 000次的长寿命真空断路器,这主要是在真空状态下的低压电弧无与伦比的特性,使用寿命增加的缘故.因此与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性就成了很突出的问题.一个产品的可靠性,主要由制造质量和设计质量来保证,前者要求制造者有严格的质量保证体系,其涉及到管理、人员素质和培训,新设备的采用等诸因素.因此在中国目前人员素质还不很高、责任心还不很强、管理相对落后、设备陈旧的情况下,把产品的可靠性过多地依赖制造质量本身是不现实的.产品的可靠性便落在设计者的肩上.一个高可靠性的产品设计,必定是最简单的设计结构,即用最少的零部件达到产品必要的功能.另外,经过优化设计后的产品应做到批量化生产,这样有利于质量的提高和生产成本的降低.国外真空断路器都是贯彻此原则,可以从两方面的工作来提高可靠性.

2.1.1 简化连杆系统设计

在上面阐述过,国内真空断路器普遍采用原少油开关操动机构CD10、CT8及其改进型CD17、CT17、CT19等.他们均为五连杆结构体系,其设计意图是为了满足具有自由脱扣功能,结构复杂.其中某些限位连杆极其脆弱.如CD10的死区连杆,CD17的半轴结构,CT17及CT19的各种半轴和扣板.“自由脱扣”是在一定技术历史背景下提出的,不但不能执行正常的分闸操作,还会对操作者造成人身安全事故.对于电磁机构,直流电源由老式CZO-40C型直流接触器操作控制,它的“分闸时间”(切除控制线圈电源到主触头分开的时间)约为150~200 ms.若无自由脱扣功能,配电磁机构的断路器也无法执行正常的分闸操作,即使采用新型专为断路器设计的CZO-40D型直流接触器(动作时间约70 ms),在少油开关做合分闸操作时,由于高质量的合闸铁芯来不及复位,将阻拦动导电杆运动路线,降低分闸开关速度,影响开断性能.而真空断路器就无此顾虑.技术的发展,使某种限制消亡是历史的必然.GB1984标准和电力部订货技术条件都取消了自由脱扣对电磁机构配真空开关的限制.因此新设计的CD17保留自由脱扣功能表明设计者思想不够开放.而CT17及CT19弹簧机构搞自由脱扣无异是画蛇添足,造成结构无谓的复杂,降低了可靠性,在国外(如日本、德国)也有取消自由脱扣器来提高可靠性的报导文章.

2.1.2 一体化设计

以真空灭弧室单元配用独立型号的操动机构(电磁或弹簧)单元组成断路器的构思是从少油开关延续下来的观念.因为这种方式用在真空断路器领域不论对机械性能还是电气性能是有百害而无一利的.不论CD10、CD17、CT8、CT17及CT19等本身是由五连杆体系组成的.它的输出轴并不是断路器的主轴,还必须使其输出轴和断路器主轴组成另一套四连杆来传递合闸力,这样使结构复杂,传动损耗大.与其对比一体化的断路器(如ZN12、ZN18、VD4、VM1、VS1,其中ZN12、ZN18、VD4、VS1为弹簧力操作;VM1为永磁力操作)是由一套四连杆组成,其中一个绞点即为断路器的主轴,结构简单,传动损耗小,可靠性大为提高.因此,应大力发展此类真空断路器.

2.2 处理好断路器的分闸过程

真空断路器的分闸过程并不是人们想象的这样简单,如何处理这些过程是真空断路器设计优劣的重要标志.

2.2.1 处理好分闸起始阶段(引弧阶段)

现代理论证明真空断路器的初分阶段(0~3mm),对开断性能至关重要.真空断路器在分闸初始的电弧电流总是由集聚型向扩散型转变,此过程转变的越快越好.目前凡是搞这一行的技术人员都应将此观念贯彻到设计中去.

加快分闸初始的电弧电流由集聚型向扩散型过程转变,有三种措施.

①减少运动零部件的质量:在研制真空断路器过程中,减小导电夹来减小运动的零部件质量,经对比,结果是初分速度不同程度上有所提高.

②增大分闸弹簧弹力,且要使其在分闸初期(0~3 mm)发挥作用.